鐵路ZYJ7轉轍機綜合培訓系統的研究與實現

李水明 邵長春 馮云智 黃鶯

摘要：針對軌道交通的轉轍機控制電路故障檢修訓練難問題，文章設計了一款ZYJ7轉轍機的智能綜合實訓平臺，介紹了該實訓平臺的組成和工作原理，并論述了系統總體架構的設計方案，包括上位機和下位機故障設置設計方案。該實訓平臺能快速設置電路故障，模擬轉轍機控制電路故障現場。學生根據故障現象進行檢測，然后在上位機作答并提交答卷。經實踐驗證，該實訓平臺有效解決了轉轍機的故障檢修訓練和考核評分問題，大大提高了實訓效率。

關鍵詞：軌道交通;轉轍機;故障;實訓平臺

中圖分類號：U284.2文獻標識碼：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst.2019. 12. 039

文章編號：1673 - 4874（2019）12 - 0145 - 04

0 引言

隨著我國城市軌道交通的飛速發展，對掌握軌道專業知識技能人才的需求越來越大。轉轍機是轉換道岔的重要設備，其是否正常工作關系到鐵路行車安全，轉轍機的正常運行需要大量的專業技術人才進行維修維護[1]。目前鐵路相關單位和職業院校對ZYJ7轉轍機控制電路的技能培訓，通常只單獨使用ZYJ7轉轍機作為學員的實訓設備，學生在學習時只能查看設備，但對設備的故障現象和故障電路的狀態及故障的排查，很難得到訓練。ZYJ7電液轉轍機是以380 V的三相交流電動機作為動力，帶動油泵轉動，以液壓方式驅動道岔轉換的機械[2]。轉轍機的日常故障往往由其控制電線或繼電器設備的斷路造成[3]。學生若要訓練針對ZYJ7轉轍機的故障處理技能，教師需要斷開某個電路進行故障設置，具體的方法是斷開某個線路或替換一個有故障的繼電器，人為設置故障。若要設置多個故障進行訓練，則非常繁瑣，工作量也非常巨大。學生對故障點的檢測完成后，教師對電路的故障進行恢復又需要消耗大量的人力。

針對以上問題，本文研究設計了一套ZYJ7轉轍機綜合考核實訓平臺，提出采用PC端上位機控制下位機快速地設置ZYJ7轉轍機的控制電路故障和對故障進行恢復，同時系統能夠對學生的故障檢測答題情況進行評分。該實訓平臺不僅能夠有效提高學生對ZYJ7型轉轍機控制電路系統的訓練水平，而且能夠大大減輕教師的工作量。

1 轉轍機綜合實訓平臺的總體設計

本ZYJ7轉轍機綜合實訓平臺由上位機應用程序和下位機執行機構組成。上位機應用程序主要由ZYJ7型轉轍機故障檢測與處理考核模塊、轉轍機控制和狀態表示模塊組成。下位機主要由STM32微處理控制模塊、通信電路模塊、轉轍機故障設置與恢復電路、轉轍機狀態檢測表示電路組成。上位機與下位機通信方式采用串口通信方式。轉轍機綜合實訓平臺的原理如圖1所示。

2 轉轍機綜合實訓平臺的硬件電路設計

2.1 STM32微處理器控制模塊硬件設計

本綜合實訓平臺的下位機使用高性能、低功耗的STM32F103VET6微處理器作為控制核心。該處理器包含ARM Cortex - M3內核，5個UART接口，主頻為72 MHz，80個通用1/0，工作電壓為3.3 V。下位機通過串口RS232的通信方式與上位機連接。

2.2 轉轍機故障設置與恢復電路設計

本故障設置與恢復電路模塊主要負責使轉轍機控制電路斷開或接通。轉轍機故障設置點部分電路如圖2所示，圓圈為可以設置故障點的位置。若需要設置圖中圓圈位置的故障點，由上位機向下位機發送指令，STM32處理器通過1/0口控制繼電器斷開轉轍機的控制狀態，則產生故障。若需要恢復電路正常通路，STM32處理器通過1/0口控制繼電器閉合轉轍機的控制狀態，則故障點消除，恢復正常通路。

該模塊主要由三極管、繼電器、光耦元件組成。STM32微處理器的1/0通過電阻R1與光耦U2連接，Q6為繼電器驅動三極管。如需要設置故障點時，STM32微處理器1/0口輸出低電平，光耦U2導通，Q1三極管導通驅動繼電器K1使ZYJ7轉轍機的控制電路斷開，ZYJ7轉轍機控制電路故障形成。若需要恢復故障點時，STM32微處理器輸出高電平，Q1三極管截止，繼電器Kl閉合，故障點恢復。單個故障設置與恢復電路如圖3所示。

2.3 轉轍機狀態檢測表示電路設計

本模塊主要向上位機實時提供ZYJ7轉轍機的狀態信息，包括定位、反位、四開狀態信息。STM32微處理器通過1/0口實時讀取轉轍機的表示繼電器的電平，判斷道岔在定位、反位或四開狀態，通過檢測DBJ道岔定位表示繼電器和FBJ道岔反位表示繼電器是否吸起，判斷轉轍機的狀態信息。下位機STM32處理器通過PJ0 1/0口讀取定位表示繼電器DBJ是否吸起，若定位表示繼電器吸起，則輸出低電平。由于轉轍機表示電路的電壓為24 V，需要利用EL357光耦進行隔離電平，轉換為3.3 V。轉轍機狀態采集電路如圖4所示。

3 轉轍機綜合考核實訓平臺的軟件設計

本綜合考核實訓平臺的上位機應用程序在PC端運行，下位機應用程序在STM32微處理器中運行。

3.1 下位機軟件設計

本實訓平臺的下位機采用嵌入式FreeRTOS實時系統作為操作系統。FreeRTOS系統是一個可裁剪、輕量級、多任務、開源免費的嵌入式操作系統?；贔reeRTOS操作系統的軟件結構如圖5所示。根據轉轍機考核實訓平臺下位機的要求需要建立5個主要任務：創建初始化任務、故障設置與恢復控制任務、ZYJ7轉轍機狀態檢測任務、轉轍機轉換控制任務和上位機通信任務。通過使用FreeRTOS操作系統的任務調度器高效處理各個任務。

（1）初始化任務主要是完成串口通信、定時器、配置1/0口、系統時鐘、開始任務的調度初始化和創建其他任務。

（2）故障設置與恢復控制任務主要是負責識別上位機指令，通過繼電器將轉轍機控制電路開路設置故障和將繼電器閉合恢復電路正常。

（3）ZYJ7轉轍機狀態檢測任務主要是負責實時采集ZYJ7轉轍機的定位表示繼電器和反位表示繼電器電平發送到上位機。

（4）轉轍機轉換控制任務主要是負責接收上位機控制轉轍機轉換的指令，驅動轉轍機定位或反位。

（5）和上位機通信任務主要是負責與上位機進行通信。任務4轉轍機運動時，接收到反向運動轉換指令，等待轉換完成再執行。

3.2 上位機應用程序設計

上位機應用程序是轉轍機綜合實訓系統的控制核心，它需要完成轉轍機電路的故障點設置、故障點的恢復、轉轍機的狀態檢測顯示、學生實訓考核答題情況分數統計等。為了軟件界面友好和提高可移植性，采用基于WPF技術構建上位機綜合實訓系統[12-13]。系統軟件架構如圖6所示。

綜合實訓系統構建在Windows操作系統之上，由于工控電腦集成了串行通信接口，上位機通過UART串口很方便地與下位機進行通信。

（1）控制電路的故障點設置與恢復模塊的主要功能為對電路故障的設置與恢復。本實訓平臺上位機端為每一個電路故障點的位置進行了編號，若需要設置轉轍機控制電路的故障，上位機向下位機發送需要設置故障點的編號指令，下位機接收到命令后，斷開指定編號的電路，產生故障。若需要實訓考核，設置相關參數后即可設置電路故障開始實訓考核。實訓系統參數設置界面如圖7所示。學生在考核答題時，首先使用儀表對轉轍機控制電路故障點進行檢測，確定故障點位置，然后在PC端上位機軟件的電路圖上選中認為是故障點的編號，并提交。本實訓平臺可以同時設置多個故障點，考核結束后上位機根據學生作答的情況進行評分。上位機故障檢測與處理考核作答界面如圖8所示。

（2）轉轍機轉換和狀態檢測顯示模塊負責實時向下位機讀取ZYJ7轉轍機的狀態并顯示。如果在轉轍機轉換電路沒有故障的情況下，學生可以通過該模塊控制轉換轉轍機的位置。轉轍機狀態顯示及控制界面如圖9所示。

（3）實訓考核答題模塊負責設定考核參數，包括考核時長、總分、單個錯誤修復扣分、單個漏查故障點扣分等。學生先檢測故障點的位置，然后在上位機軟件上的電路圖選擇認為故障點的編號?？己私Y束后，軟件根據預先設定的參數進行評分并指出錯誤的地方。

4 ZYJ7轉轍機故障設置設計

學生對ZYJ7轉轍機控制電路的故障檢測與處理，主要通過萬用表的電壓測量法來檢測判別故障點的位置。故障點設置主要分為定位、反位表示和轉轍機不能轉換三大類。

5 實訓平臺實現與應用

本轉轍機綜合考核實訓平臺在進行考核前，教師提前輸入考核的時長、總分、單個故障點錯誤修復扣分、單個漏查故障點扣分、故障點設置信息等。學生點擊開始考核按鍵?？己藢嵱柶脚_根據設置的故障點，在轉轍機的控制電路中產生電路故障，學生利用儀表對照控制電路的電路圖進行查找，并確定故障點的位置，然后在上位機軟件上選中查找到的故障點編號，最后提交答案。在考核結束后，上位機軟件根據教師設置的分值和故障點編號與學生作答的選擇故障點編號進行評分并恢復電路正常。ZYJ7轉轍機綜合考核實訓平臺上位機界面如圖10所示，實訓平臺現場如圖11所示。

經過大量的師生考核實訓測試，該綜合實訓平臺能夠實現故障點的設置、恢復、評分考核功能。

6 結語

實踐表明，ZYJ7轉轍機綜合考核實訓平臺能根據需求設置轉轍機的控制電路故障，并在故障檢測與處理完成后能夠迅速對故障進行恢復。學生可利用實訓平臺進行反復的故障模擬、故障排查訓練。實訓平臺在模擬故障時，不需要破壞轉轍機控制電路，同時能根據答題情況進行評分和指出故障排查的錯誤點。本綜合考核實訓平臺在教學中能有效提高鐵路設備維修實操的效率。

參考文獻

[1]王全剛，程良倫，張立家.種新型便攜式轉轍機測試儀的設計與實現[J].自動化與儀表，2015（10）：20 - 23.

[2]程偉鷙，王海東，梁宇.鐵路道岔轉轍機故障分析與故障診斷監測系統研究[J].中國鐵路，2018（7）：43 - 47.

[3]王蓮芝，耿正靜.ZYJ7GZ型電液轉轍機的創新與運用[J].城市軌道交通研究，2013（12）：120 -126.

作者簡介：李水明（1983- ），碩士，講師，研究方向：物聯網技術應用、軌道交通。

基金項目：2017年校級課題項目（201 7 - A03）;2018年校級課題項目（2018 - KJAlO）;2018年廣西高等學校高水平創新團隊及卓越學者計劃資助（桂教人[201814號）